CN110285860B - 一种活塞式流量计及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活塞式流量计及其测量方法，涉及流体流量的测量领域。所述活塞式流量计包括导向杆、位移传感器、至少两组管路、管路上对应设置的阀门以及控制模块；导向杆置于缸体内，而无需从缸体一端的封盖穿过，不存在导向杆导致的动态密封问题，避免了泄露事故的发生，减少了维护工作量；通过控制对应阀门的开启和关闭控制流体进入或者排出缸体内，流体的运动压力驱动活塞运动，活塞可以带动导向杆沿着位移传感器往复运动，实现了往复双向计量，提高了测量工作效率；同时流体为主动运动，活塞为被动运动，无驱动电机、丝杆组件、笨重基座等结构，结构简单，大幅度降低了流量计的体积和重量，可携带至现场工作。
Description
技术领域
本发明属于流体流量的测量领域，尤其涉及一种活塞式流量计及其测量方法。
背景技术
流量测量装置能够很方便的测量液体的流量，目前流量测量的设备种类繁多，因原理不同而异，具体的有通过液体流动带动齿轮转动来测量流量的装置，也有通过超声波的传播速度变化来测量流体的流量，这些流量测量装置都有其一定的缺陷，测量精度不够精确，设备结构复杂，成本高。
虽然也有活塞式位移流量测量装置，但是这类流量测量装置活塞上的导杆必须从缸体一端的封盖穿过，且所采用的位移装置为滚珠丝杠等外置式装置，导杆带动滚珠丝杠运动，这样的结构对动态密封的要求非常高，易发生泄露，一旦泄漏就需要拆开整个活塞，完成后还必须重新标定，维护工作量非常大。并且这种外置式位移传感器，其工作环境要求高，而且工作量小，不能够长时间一直工作。同时，现有的活塞式位移流量测量装置，其活塞均为主动活塞，一般由驱动电机、丝杆组件、缸体、活塞、管路***、信号发生器和计算机控制***组成。工作时电机驱动丝杆组件旋转，带动活塞沿缸体轴线作匀速直线运动，排出或吸入流体，活塞的运动是主动的，流体的运动是被动的。主动活塞结构复杂，体积大，重量大，其本体还需放置于笨重的基座上，进一步增加了装置的重量，无法携带至现场工作。主动活塞一般为单向式结构，即工作时只能单向计量，无法往复双向计量，工作效率相对较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种活塞式流量计及其测量方法，通过内置位移传感器检测活塞在缸体内的位置，再根据活塞的位置控制对应阀门的开闭而实现活塞不间断地往复运行以连续测量，同时根据流体的温度实现流体流量的修正，提高流量测量精度。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种活塞式流量计，包括：
顶部设有导槽的缸体，且导槽与缸体连通；
设于缸体内的活塞；
设于活塞上的导向杆，所述导向杆置于缸体和/或导槽内，且为内中空结构；
一端设于导槽顶部的位移传感器，所述位移传感器的另一端延伸至导向杆的内中空结构；所述位移传感器用于检测活塞的位置信息；
至少两组管路，每组管路的一端均与所述缸体的顶部连通，另一端均与所述缸体的底部连通；
开设于每组管路上的流体进出口；所述流体进出口为流体入口或者流体出口；
分设于流体进出口两侧管路上的至少一个阀门；
分设于每组管路上的排气阀；
控制模块，用于根据活塞的位置信息和已标定的分度容积值计算出流体的流量；以及用于根据活塞的位置信息控制阀门开启和关闭以通过流体压力带动活塞和导向杆沿着位移传感器往复运动，实现缸体内流体的连续测量。
进一步地，所述位移传感器采用磁致伸缩位移传感器，其磁环设于所述导向杆的顶部，其检测杆穿过磁环延伸至导向杆的内中空结构。
进一步地，所述管路包括两组，其中一组管路上的流体进出口为流体入口，另一组管路上的流体进出口为流体出口；在所述流体出口两侧的管路上分别设有第一阀门和第二阀门，在所述流体入口两侧的管路上分别设有第三阀门和第四阀门；
控制模块还用于根据活塞的位置信息控制第一阀门和第四阀门开启，第二阀门和第三阀门关闭；或者控制第二阀门和第三阀门开启，第一阀门和第四阀门关闭。
进一步地，所述阀门为角座阀，角座阀具有反应灵敏、动作准确的特点。
进一步地，所述活塞式流量计还包括与所述控制模块相连的温度传感器，所述温度传感器用于检测管路或者缸体内流体的温度；
所述控制模块还用于根据流体的温度值修正其流量以获得流体的标准流量。
进一步地，所述活塞式流量计还包括与所述控制模块相连的计时模块，所述计时模块用于记录测量时间；
所述控制模块还用于根据测量时间和该测量时间内的流量获得该测量时间内的平均流量。
进一步地，所述活塞包括活塞本体、以及依次设于活塞本体外周上的第一密封圈、第一气囊、第二密封圈、第二气囊和第三密封圈；所述第一气囊与第二气囊连通，且第一气囊和第二气囊的外径均小于缸体的内径。
进一步地，所述第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈的数量均为至少一个。
进一步地，在所述第一密封圈与第三密封圈之间的活塞本体上设有凹槽，所述凹槽用于盛装润滑油。
进一步地，所述活塞式流量计还包括翻转支架，所述翻转支架包括支撑底座和外框架；所述活塞式流量计固设于外框架内，外框架转动设于所述支架底座上。
活塞式流量计固定于外框架内，外框架转动设于支架底座上，使得活塞式流量计可在支撑底座上翻转。
进一步地，在所述支撑底座与外框架之间设有定位销，在所述外框架上设有脚轮。
定位销用于活塞式流量计不翻转时在支撑底座上的固定，防止在支撑底座上摆动。不工作时，带外框架的活塞式流量计可以从支撑底座上拆卸下来，通过脚轮推行移动，便于携带。
一种利用所述活塞式流量计进行流量测量的方法，包括以下几个步骤：
步骤（1）获取活塞初始位置的信息；
步骤（2）根据活塞的初始位置信息控制对应阀门的开启和关闭，活塞在流体压力下被动运动；
步骤（3）获取活塞的位置信息，根据活塞的位置信息计算出流体流量。
有益效果
与现有技术相比，本发明所述的活塞式流量计包括导向杆、位移传感器、至少两组管路、管路上对应设置的阀门以及控制模块；导向杆置于缸体内，而无需从缸体一端的封盖穿过，不存在导向杆导致的动态密封问题，避免了泄露事故的发生，减少了维护工作量；采用位移传感器进行活塞的位移测量，位移传感器延伸至导向杆的内中空结构，保证了活塞在任意位置均能被检测到，而不脱离位移传感器的检测；本发明通过控制对应阀门的开启和关闭控制流体进入或者排出缸体内，流体的运动压力驱动活塞运动，活塞可以带动导向杆沿着位移传感器往复运动，实现了往复双向计量，提高了测量工作效率；同时流体为主动运动，活塞为被动运动，无驱动电机、丝杆组件、笨重基座等结构，结构简单，大幅度降低了流量计的体积和重量，可携带至现场工作。
本发明的流量计还包括温度传感器，通过流体的温度修正其流量而获得标准流量，提高了流量测量的精确度。
本发明的活塞包括两个连通的气囊，当活塞某端外侧的密封圈发生泄露时，带压流体压迫该端的气囊，使得另一端的气囊鼓胀而与缸体内壁接触，通过增加活塞运动阻力而获知活塞内漏，解决了现有技术中内漏难以发现和判断的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例活塞式流量计的结构示意图；
图2是本发明实施例活塞的结构示意图；
图3是本发明实施例翻转支架的正视图；
图4是本发明实施例翻转支架的侧视图；
图5是本发明实施例可编程控制器的电气连接图；
图6是本发明实施例位移传感器的电气连接图；其中，1-缸体，101-导槽，102-缸体端盖，2-活塞，201-第一密封圈，202-第二密封圈，203-第三密封圈，204-第一气囊，205-第二气囊，206-凹槽，207-气囊连接管，3-导向杆，4-位移传感器，401-磁环，6-第一管路，601-流体出口，602-第一阀门，603-第二阀门，604-第一排气阀，7-第二管路，701-流体入口，702-第三阀门，703-第四阀门，704-第二排气阀，8-翻转支架，801-支撑底座，802-外框架，803-定位销，804-旋转轴，805-固定卡槽，806-连接拉杆，807-限位销，808-脚轮。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种活塞式流量计，包括缸体1、活塞2、导向杆3、位移传感器4、温度传感器、两组管路以及控制模块。在缸体1的顶部设有与缸体1连通的导槽101，活塞2置于缸体1内，且在活塞2上垂直设有导向杆3，导向杆3与导槽101同轴设置，导向杆3位于缸体1和导槽101内，且导向杆3为内中空结构。该流量计的导向杆3位于缸体1内，不存在动态密封的问题，减少了泄露事故的发生，减少了维护工作量。在缸体1的顶部和底部还分别设有缸体端盖102。
两组管路包括第一管路6和第二管路7；第一管路6的一端与导槽101顶部连通，第一管路6的另一端与缸体1底部连通，在第一管路6上设有流体出口601，且在流体出口601两侧的管路上分别设有第一阀门602和第二阀门603。第二管路7的一端与缸体1顶部连通，第二管路7的另一端与缸体1底部连通，在第二管路7上设有流体入口701，且在流体入口701两侧的管路上分别设有第三阀门702和第四阀门703。第一管路6和第二管路7上还分别设有第一排气阀604和第二排气阀704，用于排尽第一管路6和第二管路7内的气体。
位移传感器4的一端设置在导槽101顶部，另一端延伸至导向杆3的内中空结构，保证了活塞2在任意位置都有对应的位置检测数据，而不脱离控制模块的控制；温度传感器设置在流体出口601处。位移传感器4、温度传感器、第一阀门602、第二阀门603、第三阀门702、第四阀门703以及排气阀均与控制模块相连。具体的控制过程如下：
1、当活塞2的初始位置为缸体1底部时，控制模块根据活塞2的初始位置信息控制第四阀门703和第一阀门602开启，第三阀门702和第二阀门603关闭，活塞2在流体运动压力下向上运动，带动导向杆3沿着位移传感器4向上运动；活塞2在移动过程中，位移传感器4发出脉冲信号，控制模块根据接收到的脉冲信号和活塞2上已标定的分度容积值计算出流体的瞬时流量、累积流量。该流量计可用来检定、校准静态容积法水流量标准装置、水表检定装置、各类型液体流量计。
分度容积是指单位长度对应的容积或体积。例如，活塞移动一个单位长度（本实施例中，单位长度为1mm）位移传感器发出100个脉冲，当控制模块接收到1000个脉冲时，表示活塞移动了10个单位长度，即10mm，由此获得流体的体积，流量等于体积/时间。
2、当活塞2的初始位置为缸体1顶部时，控制模块根据活塞2的初始位置信息控制第三阀门702和第二阀门603开启，第四阀门703和第一阀门602关闭，活塞2在流体运动压力下向下运动，带动导向杆3沿着位移传感器4向下运动；活塞2在移动过程中，位移传感器4发出脉冲信号，控制模块根据接收到的脉冲信号和活塞2上已标定的分度容积值计算出流体的瞬时流量、累积流量。
瞬时流量的具体计算公式为：q=N×f/t （1）
其中，q表示瞬时流量，N表示活塞移动的位移或者位移传感器发出的累积脉冲数，f表示活塞上的分度容量，t表示活塞移动的时间。
累积流量的具体计算公式为：Q= N×f （2）
温度传感器用来检测流体的温度，根据流体温度修正流量以获得标准流量，提高了流量测量精度，具体的修正公式为：Q20=Q(1+β(20-T）） （3）
其中，Q20表示20°时的累积流量，即标准累积流量；β表示流体的体胀系数，T表示流体的温度。
本发明流量计通过阀门的控制可以使活塞不间断地往复运行以实现流量的连续测量，活塞2的移动是依靠流体压力而进行的，是一种被动移动，无需驱动电机和丝杆组件等，大大减少了流量计的体积和重量。位移传感器4采用磁致伸缩位移传感器，磁环401与检测杆402并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，同时检测精度也相对较高。
如图2所示，活塞2包括活塞本体、以及依次设于活塞本体外周上的第一密封圈201、第一气囊204、第二密封圈202、第二气囊205和第三密封圈203；第一气囊204与第二气囊205通过气囊连接管207连通，且第一气囊204和第二气囊205的外径均小于缸体1的内径。
本实施例中，第一密封圈201、第三密封圈203均为一个，第二密封圈202为两个，通过四道密封圈使活塞2与缸体1之间密封。在两道第二密封圈202之间的活塞本体上开设有凹槽206，凹槽206用于放置润滑油，使缸体1与活塞2之间润滑。
在正常情况下，第一气囊204和第二气囊205之间的气压平衡，气囊（即第一气囊204和第二气囊205）的外径小于缸体1的内径，使气囊不影响活塞2的正常移动；当活塞2某一端外侧的密封圈发生泄露时，带压流体会到达该侧气囊处并压迫该侧气囊，使另一侧的气囊鼓胀而与缸体1内壁接触，大幅增加了活塞2的运行阻力，通过瞬时流量曲线或进水端压力变化可以判断该内漏。
例如，当第一密封圈201发生泄露时，第一气囊204受到流体的压迫使得第二气囊205鼓胀而与缸体1内壁接触；当第三密封圈203发生泄露时，第二气囊205受到流体的压迫使得第一气囊204鼓胀而与缸体1内壁接触；这两种情况都将导致活塞2运行阻力增加，从而瞬时流量减小，因此，根据瞬时流量曲线可以判断对应内漏。
如图3和4所示，活塞式流量计还包括翻转支架8，翻转支架8包括支撑底座801、外框架802、定位销803以及脚轮808；活塞式流量计的缸体1通过固定卡槽805固定在外框架802内，由于本实施例中缸体1为圆柱体，通过两端的固定卡槽805可以卡住缸体1的两端，便于缸体1在外框架802内的固定；在外框架802上还设有连接拉杆806，连接拉杆806将缸体1两侧的框架连接起来，使得整个外框架802更加牢固；在外框架802上设有旋转轴804，支撑底座801上设有卡槽，旋转轴804置于卡槽内，并通过限位销807限制旋转轴804的位置，使得旋转轴804在卡槽内转动，从而使带外框架802的活塞式流量计在支撑底座801上转动，以便于流量计的翻转；同时在外框架802与支撑底座801之间设有定位销803，使得活塞式流量计在不翻转时固定于支撑底座801上，防止工作时在支撑底座801上摆动。外框架802的侧面还设有脚轮808，拔除限位销807和定位销803，旋转轴804从卡槽内取出，从而使带外框架802的流量计从支撑底座801上取出，通过脚轮808可以实现流量计的移动，便于搬运和携带。
如图5和6所示，本发明的电气控制部分，由型号为MDR-60-24的开关电源U1为电气控制部分提供24V电源，控制模块采用型号为PLC可编程控制器U2，PLC可编程控制器U2与模拟量功能扩展板U3、通信模块U4、触摸屏以及四个中间继电器的线圈（图3中的KM1-KM4）相连；四个中间继电器的常开触点分别与第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门相连，当PLC可编程控制器U2输出高电平或者低电平时，对应中间继电器的常开触点闭合或者断开，控制对应阀门开启或者关闭。位移传感器TH1通过SSI通讯模块U6和CC-Link网络适配器U5与通信模块U4相连，可以实现测量数据的远程传输。模拟量功能扩展板U3用于获取模拟量数据，触摸屏用于设定参数和显示测量结果。
在本实施例中，各模块的选型具体为：PLC可编程控制器U2的型号为FX3G-14MT，模拟量功能扩展板U3的型号为FX3G-2AD-BD，通信模块U4的型号为FX3U-16CCL-M，触摸屏的型号为GT2103-PMBD、中间继电器的型号为RJ2S-CL-D24，位移传感器TH1的型号为TH1-0425-102-225-102，SSI通讯模块U6的型号为ST5351，CC-Link网络适配器U5的型号为NA9131。为了配合位移传感器TH1的通讯协议设定SSI通讯模块U6和CC-Link网络适配器U5，位移传感器采集到的位置数据直接传输给PLC可编程控制器，提高了位置数据的获取精度。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种活塞式流量计，其特征在于，包括：
顶部设有导槽（101）的缸体（1），且导槽（101）与缸体（1）连通；
设于缸体（1）内的活塞（2）；所述活塞（2）包括活塞本体、以及依次设于活塞本体外周上的第一密封圈（201）、第一气囊（204）、第二密封圈（202）、第二气囊（205）和第三密封圈（203）；所述第一气囊（204）与第二气囊（205）连通，且第一气囊（204）和第二气囊（205）的外径均小于缸体（1）的内径；
设于活塞（2）上的导向杆（3），所述导向杆（3）置于缸体（1）和/或导槽（101）内，且为内中空结构；
一端设于导槽（101）顶部的位移传感器（4），所述位移传感器（4）的另一端延伸至导向杆（3）的内中空结构；所述位移传感器（4）用于检测活塞（2）的位置信息；
至少两组管路，每组管路的一端均与所述缸体（1）的顶部连通，另一端均与所述缸体（1）的底部连通；
开设于每组管路上的流体进出口；所述流体进出口为流体入口（701）或者流体出口（601）；
分设于流体进出口两侧管路上的至少一个阀门；
分设于每组管路上的排气阀；
控制模块，用于根据活塞（2）的位置信息和已标定的分度容积值计算出流体的流量；以及用于根据活塞（2）的位置信息控制阀门开启和关闭以通过流体压力带动活塞（2）和导向杆（3）沿着位移传感器（4）往复运动，实现缸体（1）内流体的连续测量。
2.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：所述位移传感器（4）采用磁致伸缩位移传感器，其磁环（401）设于所述导向杆（3）的顶部，其检测杆（402）穿过磁环（401）延伸至导向杆（3）的内中空结构。
3.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：所述管路包括两组，其中一组管路上的流体进出口为流体入口（701），另一组管路上的流体进出口为流体出口（601）；在所述流体出口（601）两侧的管路上分别设有第一阀门（602）和第二阀门（603），在所述流体入口（701）两侧的管路上分别设有第三阀门（702）和第四阀门（703）；
控制模块还用于根据活塞（2）的位置信息控制第一阀门（602）和第四阀门（704）开启，第二阀门（603）和第三阀门（702）关闭；或者控制第二阀门（603）和第三阀门（702）开启，第一阀门（602）和第四阀门（703）关闭。
4.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：所述阀门为角座阀。
5.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：还包括与所述控制模块相连的温度传感器，所述温度传感器用于检测管路或者缸体（1）内流体的温度；
所述控制模块还用于根据流体的温度值修正其流量以获得流体的标准流量。
6.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：还包括与所述控制模块相连的计时模块，所述计时模块用于记录测量时间；
所述控制模块还用于根据测量时间和该测量时间内的流量获得该测量时间内的平均流量。
7.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：所述第一密封圈（201）、第二密封圈（202）和第三密封圈（203）的数量均为至少一个。
8.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：在所述第一密封圈（201）与第三密封圈（203）之间的活塞本体上设有凹槽（206）。
9.如权利要求1所述的一种活塞式流量计，其特征在于：还包括翻转支架（8），所述翻转支架（8）包括支撑底座（801）和外框架（802）；所述活塞式流量计固设于外框架（802）内，外框架（802）转动设于所述支架底座（801）上。
10.如权利要求9所述的一种活塞式流量计，其特征在于：在所述支撑底座（801）与外框架（802）之间设有定位销（803），在所述外框架（802）上设有脚轮（808）。
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